مقاله بررسی نقش فناوری نانو در سامانه های خورشیدی و تولید انرژی پاک

بخشی از مقاله

بررسی نقش فناوري نانو در سامانه هاي خورشیدي و تولید انرژي پاك

چکیده

فناوري نانو یکی از سه فناوري جدید است که دستا وردهاي آن می تواند تمامی رشته هاي علمی و از جمله معماري را متحول سازد . محصولات نانو به ما کمک خواهند کرد تا بر مسائل زیست محیطی پیشرو غلبه کنیم. هدف این مقاله بررسی فناوري نانو و تاثیر آن در سامانه هاي خورشیدي و در نهایت تولید انرژي هاي تجدید پذیر و انرژي پاك می باشد. یکی از این مباحث استفاده از انرژي هاي تجدید پذیر و پاك خصوصا انرژي خورشیدي است. این مقاله به روش اسنادي - کتابخانه اي و تحلیلی - توصیفی تدوین شده است. با توجه به مباحث نوینی چون معماري پایدار و معماري اقلیمی، استفاده از انرژي پاك اهمیت بیشتري می یابد. واضح است که عملکرد و بهره وري سامانه هاي خورشیدي تابع فناوري هاي جدید است . بنابراین در این مقاله عملکرد فناوري نانو در تولید انرژي هاي پاك و سامانه هاي خورشیدي در تمام بخشهاي آن اعم از سامانه هاي پویا، ایستا و ترکیبی مورد بحث قرار می گیرد. کاربرد مصالح نانو ساختار منجر به تولید سلول ها و صفحات خورشیدي ارزان تر، در دسترس تر و انعطاف پذیر تر شده است و استفاده از آنها را ساده تر ساخته است. بنابراین کاربرد فناوري نانو و مواد نانو ساختار در سامانه هاي خورشیدي می توانندباعث افزایش بهره وري این سامانه ها و همچنین گسترش موارد استفاده از آنها وراهی براي رسیدن به انرژي هاي تجدید پذیرو پاك شود.

واژههاي کلیدي: فناوري نانو،سامانه هاي خورشیدي،انرژي هاي تجدید پذیر،انرژي پاك، انرژي خورشیدي

-1 مقدمه

در حال حاضر اقتصاد جهان وابسته به منابع سوخت فسیلی است که این منابع پیامدهاي نامطلوبی بر محیط زیستدارند. استفاده از راهحلهاي انرژي پاك از نیازهاي اجتماعی، اقتصادي و سیاسی اصلی کشورهاي مختلف دنیا است.

جمعیت جهان از 50 سال پیش تاکنون از 2 میلیارد نفر به بیش از 6 میلیارد نفر افزایش یافته است. نتیجه استفاده بیش از حد از سوختهاي فسیلی، افزایش دماي هوا است که این امر اثرات مخرب زیادي بر اکوسیستم طبیعی دارد و منجر به کاهش کیفیت و کمیت زندگی انسان میشود.( ( azonano.com

در سالهاي اخیر با توجه به این که منابع انرژي تجدید ناپذیر رو به اتمام هستند منابع انرژي تجدید پذیرمورد توجه قرار گرفتهاند. در سال 2006 حدود 18٪ از انرژي مصرفی جهانی از راه انرژيهاي تجدید پذیر بدست امدو %87 از سوزاندن سوخت هایی مانند نفت، گاز طبیعی و ذغال سنگ تأمین شده است. درپایان سال 2009 میلادي مجموع انرژي تولیدي به وسیله فتوولتاییک به بیش از 21000 مگاوات رسید. ایستگاهاي انرژي گرما- خورشیدي در آمریکا و اسپانیا مشغول به کار می باشندکه بزرگترین آنها با ظرفیت 354 مگاوات در بیابان موهاوي در حال کار است. (fa.wikipedia.org)
بزرگترین نیروگاه زمین گرمایی دنیا در کالیفرنیا با نام نیروگاه گیسرز با ظرفیت 750 مگاوات در حال فعالیت میباشد.برزیل یکی از کشورهایی است که پروژههاي بزرگی براي استفاده از انرژيهاي نو(انرژيهاي تجدیدپذیر) انجام میدهد.18٪ از کل مصرف سوخت اتوموبیلهاي برزیل از طریق سوخت اتانولی که از ساقه نیشکر بدست می آید تامین می شود.سوخت اتانولی به صورت گسترده در ایالات متحده مورد استفاده قرار می گیرد. (fa.wikipedia.org)

بیشترین پروژهها و محصولات انرژيهاي نو در مقیاس بزرگ موجود می باشند، ولی انرژيهاي نو را میتوان در مقیاسهاي کوچک (نیروگاه کوچک خارج مدار یا نیروگاه کوچک مدار بسته)هم استفاده کرد.در حواشی و در جاهاي دور افتاده نقش انرژيهاي نو به خوبی نمایان می شود.کنیا داراي بالاترین نرخ سالانه فروش سیستمهاي کوچک خورشیدي 100-20 ) وات)به میزان 30000 سیستم در سال می باشد. نگرانی درباره تغییرات زیست محیطی در کنار افزایش قیمت روزافزان نفت و اوج تولید نفت و حمایت دولتها، باعث رشد روزافزون وضع قوانینی میشود که بهره برداري و تجارتی کردن این منابع سرشار تجدید پذیر را تشویق می
کنند. ( fa.wikipedia.org)

-2انرژي تجدید پذیر

انرژي تجدید پذیر یا انرژي برگشت پذیر به انواعی از انرژي میگویند که بر خلاف انرژيهاي تجدیدناپذیر قابلیت بازگشت مجدد را به طبیعت دارند. . ( fa.wikipedia.org)

-3مشکلات سوخت هاي فسیلی

متأسفانه شواهد بسیاري تولید منواکسید کربن از سوزاندن سوخت هاي فسیلی را اثبات می کنند؛ انتشار منو اکسید کربن، تغییرات جهانی آب و هوا و عواقب فجیعی به دنبال خواهد داشت. اگرچه اقتصاد جهانی ما بر اساس سوختهاي فسیلی ساخته شده است ولی این واضح است که این منابع پایدار نیستند و ما باید وابستگی خود را به آنها کاهش دهیم و آنها را با منابع انرژي تجدید پذیر جایگزین نماییم. البته این یک چالش عظیم است زیرا ما در سال 2006، تقریبا 450 کادریلیون بی تی یو استفاده کردیم و بر این اساس، در سال 2040، ما به دو برابر این مقدار، حدود 900 کادریلیون بی تی یو نیاز خواهیم داشت ؛ مصرف سالانه 900 کادریلیون با توان متوسط 30 تراوات ، مطابقت خواهد داشت . ( ( forum.lianportal.com

-4نانو

یک نانو متر، یک میلیونیوم متر است که هشتاد بار از قطر مو باریکتر و به اندازه 5 تا 10 اتم حجم دارد. پس مقیاس فانو با چشم غیر مسلح دیده نمی شود Leydecker)،2008،.( 122

-5نانوتکنولوژي

نانوتکنولوژي، توانمندي تولید مواد، ابزارها و سیستمهاي جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود . ( (energy.vcp.ir از همین تعریف ساده برمیآید که نانوتکنولوژي یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردي جدید در تمام رشته هاست. براي نانوتکنولوژي کاربردهایی را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژي تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژي، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهاي وسیع این عرصه به همراه پیامدهاي اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوري را بهعنوان یک زمینه فرا رشتهاي و فرابخش مطرح نموده است. ( (energy.vcp.ir هر چند آزمایشها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه 80 قرن بیستم بطور جدي پیگیري شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژي در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهاي بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهاي تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند. ( (energy.vcp.ir استفاده از این فنآوري در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهاي کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو به-عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روي جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامهریزي علمی دقیق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمایند و براي چنین کاري طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتنابناپذیر است .( (energy.vcp.ir

-6هدف نانو تکنولوژي

هدف نانو تکنولوژي ساختن مولکول به مولکول آینده است . همانطور که وسایل مکانیکی نیرویی فراتر از نیروي فیزیکی تولید می کنند، علم نانو و تولید در مقیاس اتمی هم سبب می شود تا انسان پارا فراتر از محدودیت هاي اندازه اي که بطور طبیعی موجود است، بگذارد و درست بر روي واحدهاي ساختاري مواد، جایی که خاصیت مواد مشخص می شود، تغییراتی انجام دهد .

(عبا سعلی پور، ( 84 :1386

-7تاثیر فناوري نانو در تولید انرژي پاك

روش هاي زیادي طراحی شده اند که از منابع طبیعی مانند خورشید، آب یا باد انرژي بسازند. در همه موارد فناوري نانو می تواند اثرگذار باشد و تغییرات چشم گیري ایجاد کند. تولید و استفاده از نفت و دیگر سوخت هاي فسیلی سالانه با یک روند مشخص در حال افزایش است و در آینده اي نزدیک تولیدات نفتی دیگر قادر به پاسخ گویی به نیازهاي جمعیت دنیا نخواهند بود. پایان یافتن منابع نفتی تنها مشکل ما نیست، بلکه با استفاده روز افزون سوخت هاي فسیلی در حال حاضر با تولید روزافزون گازهاي گل خانه اي و گرم شدن جهان، محیط زیست در معرض خطر جدي قرار گرفته است. برخی از منابع جدیدي که می توانند جایگزین سوخت هاي فسیلی شوند شناخته شده اند، اما هنوز از نظر اقتصادي بازدهی لازم را ندارند. پیشرفت هاي فناوري نانو می تواند این مشکل را بهبود بخشد. با فناوري نانو می توان مواد و روش هاي جدیدي ایجاد کرد که تحولی اساسی در زمینه انرژي رقم می زنند. در حال حاضر نوربین هاي بادي، صفحات سلول هاي خورشیدي و سوخت هاي طبیعی به عنوان اهداف اصلی در تأمین انرژي هاي تجدیدپذیر مطرح هستند. چون منشاء آن ها تمیز، ارزان و همیشگی است. (energy.vcp.ir)

-8انرژي خورشیدي

شناخت انرژي خورشیدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می گردد . شاید به دوران سفالگري، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهاي بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید آتشدانهاي محرابها را روشن می کردند. یکی از فراعنه مصر معبدي ساخته بود که با طلوع خورشد درب آن باز و با غروب خورشـید درب بسـته مـی شـد . ولـی مهمتـرین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگـان روم را با استفاده از انرژي حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادي آئینـه هـاي کوچـک مربعـی شکل درکنار یکدیگر که روي یک پایه متحرك قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روي کشتیهاي رومیان متمرکز سـاخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است . در ایران نیز معمارر سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنـان در اسـتفاده صحیح و مؤثر از انرژي خورشید در زمان هاي قدیم بوده است . با وجود آنکه انرژي خورشید و مزایاي آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم ها شده بود. تا اینکه پس از افزایش قیمت نفت در سال1973 به بعد کشـورهاي پیشـرفته صـنعتی مجبـور شـدند بـه مسئله انرژي جدي تر بنگرند(سازمان انرژیهاي نو ایران، .(1382

درعصر حاضر از انرژي خورشیدي توسط سیستم هاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیري می شود که عبارتنـد از: -1 استفاده از انرژي حرارتی خورشید براي مصا رف خانگی، صنعتی و نیرو گاهی - 2 تبدیل مستقیم نور حاصل از پرتوهاي خورشید به الکتریسیته توسط تجهیز اتی به نام فتوولتاثیک (سازمان انرژیهاي نو ایران، .( 1382

-9تاریخچه انرژي خورشیدي

تحقیقات مرتبط با تکنولوژي فتوولتاییک از یکصد سال فبل آغاز شد.در سال 1873 م. ´´وبلوگبی اسمیت´´ دانشمند انگلیسی درآزمایشهاي خود به ابن نتیجه رسید که توانایی سلنیم براي هدایت الکتریسیته با میزان تابشی نور به آن رابطه اي مستقیم دارد.در سال 1880 م. ´جالز فرپنس` نوانست که با استفاده از سلنیم او لین سلول الکنریکی خورشیدي را بسازد. این محصول بدون مصرف اولیه و بدون تولید گرما و صدا، الکنریسیته تولید می کرد. این تحقیقات تا سال 1905م. که `´آلبرت انیشتن`´ فظربه خود را در باب اثر فتوولتاییک ارائه کرد، راکد ماند.اما بدلپل هزبنه هاي بالا و بازدهی کم تولیدپیشرفت هاي کندي در این زمینه بدست می آمد تا اینکه در اوایل سالهاي 1905 م، دانشمندان آزمایشگاه `´بل´` به حساسیت سیلیکون، دو مبن عنصر فراوان روي زمین، به نور خورشید پی بردند و متوجه شدند که هنگامیکه این ماده با یک ناخالصی معینی بکار رود. در مقابل تابش نور، انرژي با ولتاژ قابل نوجهی تولبد می کند. در سال 1954 م. آنها او لبن سلول خورشیدي سیلیکونی را با راندمان %60 تولید کردند و براي ذخستین بار از ابن تکنولوژي در ایستگاه مخابراتی روستایی در ایالت جورجیا استفاده شد. در سازمان هوا فضاي آمریکا (ناسا)، دانشمندان براي تولید انرژي فراوان، سبک، مطمئن و مناسب در فضاي خاج از جو زمین، در اوایل 1960م، سیستمی را مشتمل بر 108 سلول خورشیدي بر روي ماهواره ´´ونگارد´´ نصب کردند. از آن زمان به بعد سبستمهاي فتوولتاییک بر روي بیشتر ماهواره ها و فضاپیماها بکار گرفته اند. در دهه 1890 در سرنا سر امریکا از آب گرم کن هاي خورشیدي براي گرم کردن آب استفاده می شد. آنها مزیت بیشتري نسبت به کوره هاي زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعی حاصل از زغال سوز براي گرم نمودن آب استفاده می کرد ند. در سال 1897 ، حدود 30 درصد از خانه هاي شهر پاسادانا، واقع در شرق لس آنجلس، مجهز به آب گرم کن هاي خورشیدي بودند. با پیشرفت هاي مکانیکی صورت گر فته، سیستم هاي خورشیدي در آر یزونا، فلوربدا و خپلی دبگر از مناطق آفنابی ایالت متحده نیز مورد استفاده قرار گرفت. تا سال 1920 ، دهها هزار عدد از ابن آب گرم کن هاي خورشیدي به فروش رسیده بود (خلیلی،.(1376

همانگونه که دسترس به نفت سفید براي ممرف کنندگان مشکلات عدیده اي در بردارد. .تهیه نفت کوره جهت مصارف آبگرم براي روسائیان کشرر نیز با دشواري هاي بسیاري همراه است. به کارگیري آبگرمکن خورشیدي عمومی مرفه جویی ارزي قابل توجهی ناشی از عدم مصرف این فرآورده را به دنبال خواهد داشت. تفاوت آبگرمکن خورشیدي عمومی (حمام ووستایی) با آبگرمکن هاي خورشیدي خانگی در تعداد کلکتورها ، حجم مخزن ذخیره و نوع حرکت سیال است (قائم مقامی، .( 1368

شکل((1 حمام خورشیدي-غنی آباد و فهندر خراسان

-10پدیدهي فتوولتائیک((Photovoltaic effect

پدیدهي فتوولتائیک (Photovoltaic effect) فرایندي است که حاصل آزاد شدن الکترون از قید هسته، در برخورد با (فوتون هاي) نور مرئی یا اشعه ي X در یک ماده ي نیمه رسانا است.

بهطور کلی از نظر فناوري ساخت، 3 دسته سلول خورشیدي داریم که دو دستهي اول در حال حاضر به صورت صنعتی تولید میشوند و دستهي سوم در سطح آزمایشگاهی و پژوهشی تولید شده است. (roshd.ir)

-11اساس کار سیستم هاي خورشیدي

اصولا دستگاه هایی که با استفاده از انرژي خورشید تغذیه می شوند به دو صورت هستند: گروه اول: سیستم هایی هستند که نور خورشید را گرفته و مستقیما به انرژي الکتریسیته تبدیل می کتد (فتو ولتاثیک ).گروه دوم: سیستم هایی هستنا که از حرارت اشعه خورشید تغذیه می شوند (گرما خورشیدي ) در سیستم هایی که با روش فتو ولتاثیک کار می کتد یک سري صفحاتی (به اسم سلول خورشیدي ) وجود دارند که انرژي

خورشیدي را گرفته و توسط ترکیبات سیلیکونی نور را تبدیل به حرکت الکترونی و در نتیجه جریان الکتریسیته می کنند . در واقع مبدل انرژي این سیستم ها همان صفحات یا سلولهاي خورشیدي هستند.پس از تولید جریان الکتریسیته در این سیستم ها برق DC تولید شده می تواند در مصا رف مختلف مثل روشنایی،حرکت پمپ،الکتروموتور و غیره استفاده شود.

سیستم هاي نوع دوم که سیستم هاي گرما خورشیدي نامیده می شوند،گرماي تابشی خورشید توسط دستگاه هایی به اسم کلکتور خورشیدي جمع آوري و هدایت می شوند.کلکتور ها در حقیقت مبدل حرارتی یبن نور خورشید و سیال عاملی مانند هوا و یا آب هستند.کلکتورها در انواع مختلف و به صورت هاي گوناگون ساخته می شوند همگی در سه قسمت صفحه عایق،صغحه جاذب و